在工程活動中落實STEM教育理念

處于教育改革前沿的教師應在教學實踐中不斷地探索，將STEM教育理念融入學科教學之中。我們借鑒美國教育聯合會駐華代表處李佩寧老師提供的STEM案例，設計了符合我們學生實際的《懸臂的設計與制作》STEM主題活動，指導學生學習懸臂結構及其在生活中的應用。課程重點是讓學生像工程師一樣思考、學習，了解并搭建橋梁中的懸臂結構，體會在工程領域中設計、制作、反思與修正的重要性。活動中，學生通過多次制作懸臂，了解設計、制作、反思與修正的工程設計循環過程，鍛煉同他人交流與合作的基本技能，感受如何通過不斷嘗試與改進，更好地達成目標。本活動所需材料易得，方法簡單多樣，涉及信息收集、材料加工、測量、畫圖等技術，以及三角形不易變形、杠桿省力等多種科學原理，應用了支撐角度與懸臂下垂的關系等數學知識。下面是在活動中落實STEM教育理念的幾點嘗試。

培養工程思維

STEM教育主要以項目學習的形式開展，學生需要理解科學知識，同時也需要理解工程技術的過程。學生需要了解初級工程師是怎樣完成一個項目的，要像工程師一樣經歷設計、制作、反思與修正的過程。

設計是工程問題的首要環節。為了設計《懸臂的設計與制作》主題活動中的懸臂，需要學生對懸臂有豐富的感性認知，因此活動的第一階段是認識懸臂結構。塔吊是工程建設中用來吊起重物的工具，也是典型的懸臂結構。我從學生熟知的塔吊入手，通過讓他們觀察分析塔吊的圖片，引出懸臂的概念——懸臂是只有一端固定的梁。然后請一名學生上前，將右臂側平舉，對照塔吊體會懸臂概念。通過分析和體驗，學生知道了懸臂結構就是“梁+平衡臂”，如杠桿一樣起到平衡作用。為鞏固懸臂概念，我讓學生上網查閱資料，了解生活中有哪些地方應用了懸臂結構。

學生以小組為單位尋找身邊哪里有懸臂結構。他們觀察發現，黑板上的燈、校園里的攝像裝置、校園外道路上的路燈等都是懸臂。開始制作前，為了防止學生沒有設計就盲目動手，我們讓學生先畫設計圖，再拿畫好的設計圖領取制作的材料（如圖1）。

學生完成設計后開始制作。設計圖1的小組在第一次制作中加粗了懸臂，這樣掛重物時不容易彎折。為了防止懸臂下垂，他們在下面做了一個支架。制作要求中規定支架不能固定在桌子上，他們想到利用桌兜來支撐（如圖2）。雖然有了支撐，懸臂仍然出現向一邊歪斜的現象，他們繼續想辦法改進。他們從路燈的結構上得到啟發，利用三角形不易變形的特點，加固懸臂進行第二次搭建、修正，可是問題并沒有得到解決。這該怎么辦呢？看他們一籌莫展，我進行引導：“你們增加的支撐是在懸臂的哪個方向？你們的懸臂是向哪個方向歪斜的？”學生發現，他們在垂直方向做了支撐，而懸臂向水平的方向歪斜，應該在兩邊增加支撐。通過第三次修正，他們的懸臂承重能力增強了。

一個小組為了加粗懸臂和支撐架，把提供給他們的20根吸管用完了，依然未能成功。這個小組經歷失敗后認識到，在設計時要考慮已有的材料，進行成本控制，不能盲目去做。

一個小組的懸臂連接使用了多種方法，很有創意。

連接方法一：為了制作三角形結構，把吸管連接端剪成45度斜邊，然后插在一起（如圖3）。

連接方法二：在一根吸管中間剪出一個洞，把另外一根吸管插進去，非常結實（如圖4）。

連接方法三：將在上下兩層吸管中間起支撐作用的三角形吸管的邊，都剪成45度斜邊后粘接到一起。

學生覺得這三種連接方法很有創意，但是操作起來有一定的技術難度，需要耐心、細心才能做到。學生認識到細節決定成敗，懂得了技術是工程的保障。

在懸臂制作過程中，學生經歷了1次制作、2次修改，體驗了設計、制作、反思與修正的工程設計過程。在這個過程中，學生發現問題、分析問題并解決問題，發展了工程思維能力和實踐創新能力。

加強團隊合作

工程實踐的每一個環節都離不開團隊合作，學生需要共同交流討論設計方案的細節，合作完成工程設計、模型構建和修正等工作。團隊合作集合了多人的智慧和創造力，從而提高項目完成的效率，展現出動態、活躍的課堂氣氛。

在小組活動中，四五個學生組成一個小組，很容易出現一兩個人積極參與，其他同學袖手旁觀的現象。在活動開始，我就要求每個組的組長根據小組同學的特點進行分工，動手能力強的制作，畫畫好的畫設計圖、負責記錄，表達好的分享交流，讓每一個同學都有事可做。每個學生有了自己的任務，是不是就不用參與其他活動了呢？當然不是。有個小組制作的懸臂承重最大，他們是怎樣做到的呢？這個小組在改進懸臂的過程中，在自主思考和探索的同時，小組成員善于與同伴交流或交換意見，尤其是遇到問題時，發揮了集體的智慧。通過合作，學生認識到只有每個同學都發揮應有的作用，積極思考，獻計獻策，才能取得成功。

發揮教師的引領作用

STEM教育強調以學生為中心，注重學生的主動參與。活動過程中，教師要處理好學生自主實踐與教師有效指導之間的關系，教師應當成為學生活動的組織者、參與者和引領者。那么，教師的引領作用該如何體現呢？

在懸臂制作的展示課上，每個小組分享了懸臂制作的設計思路、制作經驗、遇到的問題、解決的辦法。有一個小組制作的懸臂無論是在結構的設計上，還是在吸管顏色的搭配上，都給人耳目一新的感覺。更難能可貴的是，他們在設計時，不但考慮到承重、美觀，還想到要節省材料。項目要求制作的是30厘米的懸臂，在15厘米處掛重物，20根吸管只是勉強夠用。這個小組制作后面的懸臂時用一根吸管來代替多根吸管，達到了節省材料的目的。看到他們的做法，我趁機向全班同學提出問題：“在什么情況下可以節省材料？”學生通過討論交流，認識到達到承重目標時，才可以節省材料。在真實的工程設計中，就是要在保證質量的前提下降低工程的成本。

在三個小組分享了制作經驗后，我讓學生找找這三個小組設計懸臂時有什么共同的地方。學生認真分析后，發現了他們的共同特點：都從生活中的懸臂如塔吊、路燈上找到了設計靈感，體現了設計“有源”。

還有一個小組在制作過程中出現了意見分歧，難以確定誰的辦法更好。在他們爭執不下時，我引導他們把兩個人的辦法都試一試，誰的辦法好，用事實說話，讓學生感悟到實踐出真知的道理。

從學生的總結可以看到他們的收獲：

“制作好的懸臂，不但要承重，還要美觀和節省材料。”

“小組同學都要想辦法，不能靠一個人，團結起來力量大。”

“我知道了細節決定成敗，做事一定要細心。”

“要想做好一項工程，要不斷地設計、制作、反思、修正，才能更好地完成任務。”

“我覺得工程師真棒，長大后我也想當。”

縱觀整個活動過程，學生們群策群力，既分工又合作。他們遇到困難時互相打氣，不氣餒，不退縮，努力想辦法來解決，感受到團隊的力量。只要我們相信學生，為他們提供機會，他們一定會給我們更多的驚喜。